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摘要:本文将介绍计算机的基本组成及结构,通过介绍各个部分的基本原理,进而阐述计算机的现状和未来发展方向
关键词:硬件 软件 存储器 输入设备 输出设备
DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.09.023
1 引言
随着科学技术的不断发展,计算机的应用越来越广泛,所起的作用也越来越大,已经成为我们日常工作和生活的重要的组成部分。计算机的组成主要由硬件系统和软件系统组成。
2 计算机系统各部分的组成及其结构
2.1 计算机系统的基本组成
2.1.1计算机硬件系统
计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。硬件是指组成计算机的各种物理设备,也就是我们看得见,摸得着的实际物理设备。它包括计算机的主机和外部设备。具体由五大功能部件组成,即:运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。这五大部分相互配合,协同工作。其简单工作原理为:首先由输入设备接受外界信息(程序和数据),控制器发出指令将数据送入(内)存储器,然后向内存储器发出取指令命令。在取指令命令下,程序指令逐条送入控制器。控制器对指令进行译码,并根据指令的操作要求,向存储器和运算器发出存数、取数命令和运算命令,经过运算器计算并把计算结果存在存储器内。最后在控制器发出的取数和输出命令的作用下,通过输出设备输出计算结果。
2.1.2计算机软件系统
计算机软件系统包括系统软件和应用软件两大类。
>系统软件
系统软件是指控制和协调计算机及其外部设备,支持应用软件的开发和运行的软件。其主要的功能是进行调度、监控和维护系统等等。系统软件是用户和裸机的接口,主要包括:
1)操作系统软件, 如DOS、WINDOWS98、WINDOWS NT、Linux,Netware等
2)各种语言的处理程序, 如低级语言、高级语言、编译程序、解释程序。
3)各种服务性程序,如机器的调试、故障检查和诊断程序、杀毒程序等
4)各种数据库管理系统,如SQL Sever、Oracle、Informix、Foxpro等
> 应用软件
应用软件是用户为解决各种实际问题而编制的计算机应用程序及其有关资料。应用软件主要有以下几种:
1)用于科学计算方面的数学计算软件包、统计软件包
2)文字处理软件包(如WPS、WORD、Office 2000)
3)图像处理软件包(如Photoshop、动画处理软件3DS MAX)
4)各种财务管理软件、税务管理软件、工业控制软件、辅助教育等专用软件。
> 硬件和软件的关系
1)硬件与软件是相辅相成的,硬件是计算机的物质基础,没有硬件就没有计算机。
2)软件是计算机的灵魂,没有软件,计算机的存在就毫无价值。
3)硬件系统的发展给软件系统提供了良好的开发环境,而软件系统发展又给硬件系统提出了新的要求。
2.2 计算机硬件五大功能部分
2.2.1 运算器
运算器又称算术逻辑单元(Arithmetic Logic Unit简称ALU)。它是计算機对数据进行加工处理的部件,包括算术运算(加、减、乘、除等)和逻辑运算(与、或、非、异或、比较等)。 ?
2.2.2 控制器
控制器负责从存储器中取出指令,并对指令进行译码;根据指令的要求,按时间的先后顺序,负责向其它各部件发出控制信号,保证各部件协调一致地工作,一步一步地完成各种操作。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。
硬件系统的核心是中央处理器(Central Processing Unit,简称 CPU)。它主要由控制器、运算器等组成,并采用大规模集成电路工艺制成的芯片,又称微处理器芯片。
2.2.3 存储器
存储器是计算机记忆或暂存数据的部件。计算机中的全部信息,包括原始的输入数据。经过初步加工的中间数据以及最后处理完成的有用信息都存放在存储器中。而且,指挥计算机运行的各种程序,即规定对输入数据如何进行加工处理的一系列指令也都存放在存储器中。存储器分为内存储器(内存)和外存储器(外存)两种。
2.2.4 输入设备
输入设备是给计算机输入信息的设备。它是重要的人机接口,负责将输入的信息(包括数据和指令)转换成计算机能识别的二进制代码,送入存储器保存。
2.2.5 输出设备
输出设备是输出计算机处理结果的设备。在大多数情况下,它将这些结果转换成便于人们识别的形式。
2.3 计算机的总线结构
微型计算机硬件结构的最重要特点是总线(Bus)结构。它将信号线分成三大类,并归结为数据总线(Date Bus)、地址总线(Address Bus)和控制总线(Control Bus)。这样就很适合计算机部件的模块化生产,促进了微计算机的普及。微型计算机的总线化硬件结构图如图所示。
微型计算机总线化硬件结构图
2.4 存储器
计算机的存储器由两部分组成——内存储器和外存储器。内存储器最突出的特点是存取速度快,但是容量小、价格贵;外存储器的特点是容量大、价格低,但是存取速度慢。内存储器用于存放那些立即要用的程序和数据;外存储器用于存放暂时不用的程序和数据。内存储器和外存储器之间常常频繁地交换信息。外存储器主要有磁盘存储器、磁带存储器和光盘存储器。
微型计算机的内存储器是由半导体器件构成的。从使用功能上分,有随机存储器 (Random Access Memory,简称 RAM),又称读写存储器;只读存储器(Read Only Memory,简称为ROM)。
2.5 计算机的主要性能指标
对于不同用途的计算机,其对不同部件的性能指标要求有所不同。例如:对于用作科学计算为主的计算机,其对主机的运算速度要求很高;对于用作大型数据库处理为主的计算机,其对主机的内存容量、存取速度和外存储器的读写速度要求较高;对于用作网络传输的计算机,则要求有很高的I/O速度,因此应当有高速的I/O总线和相应的I/O接口。
2.5.1 运算速度
计算机的运算速度是指计算机每秒钟执行的指令数。单位为每秒百万条指令(简称 MIPS)或者每秒百万条浮点指令(简称 MFPOPS)。它们都是用基准程序来测试的。影响运算速度的有如下几个主要因素:
> CPU的主频。指计算机的时钟频率。它在很大程度上决定了计算机的运算速度。例如,Intel公司的CPU主频最高己达3.20GHz以上,AMD公司的可达400MHz以上。
> 字长。CPU进行运算和数据处理的最基本、最有效的信息位长度。PC机的字长,已由8088的准16位(运算用16位,I/O用8位)发展到现在的32位、64位。
> 指令系统的合理性。每种机器都设计了一套指令,一般均有数十条到上百条,例如:加、浮点加、逻辑与、跳转……等等,组成了指令系统。
2.5.2 存储器的指标
> 存取速度。
内存储器完成一次读(取)或写(存)操作所需的时间称为存储器的存取时间或者访问时间。而连续两次读(或写)所需的最短时间称为存储周期。对于半导体存储器来说,存取周期约为几十到几百ns(10-9秒)。
> 存储容量。
存储容量一般用字节(Byte)数来度量。PC机的内存储器已由286机配置的1MB,发展到现在2G,甚至2G以上。内存容量的加大,对于运行大型软件十分必要,否则会感到慢得无法忍受。
> I/O的速度
主机I/O的速度,取决于I/O总线的设计。这对于慢速设备(例如键盘、打印机)关系不大,但对于高速设备则效果十分明显。例如对于当前的硬盘,它的外部传输率已可达20MB/S、4OMB/S以上。
3 结束语
我们相信,新型计算机与相关技术的研发与应用,是二十一世纪科技领域的重大创新,必将推进全球经济社会高速发展,实现人类历史上的重大突破。科学在发展,人类在进步,历史上的新生事物都要经历一个从无到有的艰难历程,随着一代又一代科学家们的不断努力,未来的计算机一定会是更加方便人们工作、生活、学习的好伴侣。
作者简介:
梁炜,男,助理工程师研究方向:计算机及外部设备的抗恶劣环境设计。
关键词:硬件 软件 存储器 输入设备 输出设备
DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.09.023
1 引言
随着科学技术的不断发展,计算机的应用越来越广泛,所起的作用也越来越大,已经成为我们日常工作和生活的重要的组成部分。计算机的组成主要由硬件系统和软件系统组成。
2 计算机系统各部分的组成及其结构
2.1 计算机系统的基本组成
2.1.1计算机硬件系统
计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。硬件是指组成计算机的各种物理设备,也就是我们看得见,摸得着的实际物理设备。它包括计算机的主机和外部设备。具体由五大功能部件组成,即:运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。这五大部分相互配合,协同工作。其简单工作原理为:首先由输入设备接受外界信息(程序和数据),控制器发出指令将数据送入(内)存储器,然后向内存储器发出取指令命令。在取指令命令下,程序指令逐条送入控制器。控制器对指令进行译码,并根据指令的操作要求,向存储器和运算器发出存数、取数命令和运算命令,经过运算器计算并把计算结果存在存储器内。最后在控制器发出的取数和输出命令的作用下,通过输出设备输出计算结果。
2.1.2计算机软件系统
计算机软件系统包括系统软件和应用软件两大类。
>系统软件
系统软件是指控制和协调计算机及其外部设备,支持应用软件的开发和运行的软件。其主要的功能是进行调度、监控和维护系统等等。系统软件是用户和裸机的接口,主要包括:
1)操作系统软件, 如DOS、WINDOWS98、WINDOWS NT、Linux,Netware等
2)各种语言的处理程序, 如低级语言、高级语言、编译程序、解释程序。
3)各种服务性程序,如机器的调试、故障检查和诊断程序、杀毒程序等
4)各种数据库管理系统,如SQL Sever、Oracle、Informix、Foxpro等
> 应用软件
应用软件是用户为解决各种实际问题而编制的计算机应用程序及其有关资料。应用软件主要有以下几种:
1)用于科学计算方面的数学计算软件包、统计软件包
2)文字处理软件包(如WPS、WORD、Office 2000)
3)图像处理软件包(如Photoshop、动画处理软件3DS MAX)
4)各种财务管理软件、税务管理软件、工业控制软件、辅助教育等专用软件。
> 硬件和软件的关系
1)硬件与软件是相辅相成的,硬件是计算机的物质基础,没有硬件就没有计算机。
2)软件是计算机的灵魂,没有软件,计算机的存在就毫无价值。
3)硬件系统的发展给软件系统提供了良好的开发环境,而软件系统发展又给硬件系统提出了新的要求。
2.2 计算机硬件五大功能部分
2.2.1 运算器
运算器又称算术逻辑单元(Arithmetic Logic Unit简称ALU)。它是计算機对数据进行加工处理的部件,包括算术运算(加、减、乘、除等)和逻辑运算(与、或、非、异或、比较等)。 ?
2.2.2 控制器
控制器负责从存储器中取出指令,并对指令进行译码;根据指令的要求,按时间的先后顺序,负责向其它各部件发出控制信号,保证各部件协调一致地工作,一步一步地完成各种操作。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。
硬件系统的核心是中央处理器(Central Processing Unit,简称 CPU)。它主要由控制器、运算器等组成,并采用大规模集成电路工艺制成的芯片,又称微处理器芯片。
2.2.3 存储器
存储器是计算机记忆或暂存数据的部件。计算机中的全部信息,包括原始的输入数据。经过初步加工的中间数据以及最后处理完成的有用信息都存放在存储器中。而且,指挥计算机运行的各种程序,即规定对输入数据如何进行加工处理的一系列指令也都存放在存储器中。存储器分为内存储器(内存)和外存储器(外存)两种。
2.2.4 输入设备
输入设备是给计算机输入信息的设备。它是重要的人机接口,负责将输入的信息(包括数据和指令)转换成计算机能识别的二进制代码,送入存储器保存。
2.2.5 输出设备
输出设备是输出计算机处理结果的设备。在大多数情况下,它将这些结果转换成便于人们识别的形式。
2.3 计算机的总线结构
微型计算机硬件结构的最重要特点是总线(Bus)结构。它将信号线分成三大类,并归结为数据总线(Date Bus)、地址总线(Address Bus)和控制总线(Control Bus)。这样就很适合计算机部件的模块化生产,促进了微计算机的普及。微型计算机的总线化硬件结构图如图所示。
微型计算机总线化硬件结构图
2.4 存储器
计算机的存储器由两部分组成——内存储器和外存储器。内存储器最突出的特点是存取速度快,但是容量小、价格贵;外存储器的特点是容量大、价格低,但是存取速度慢。内存储器用于存放那些立即要用的程序和数据;外存储器用于存放暂时不用的程序和数据。内存储器和外存储器之间常常频繁地交换信息。外存储器主要有磁盘存储器、磁带存储器和光盘存储器。
微型计算机的内存储器是由半导体器件构成的。从使用功能上分,有随机存储器 (Random Access Memory,简称 RAM),又称读写存储器;只读存储器(Read Only Memory,简称为ROM)。
2.5 计算机的主要性能指标
对于不同用途的计算机,其对不同部件的性能指标要求有所不同。例如:对于用作科学计算为主的计算机,其对主机的运算速度要求很高;对于用作大型数据库处理为主的计算机,其对主机的内存容量、存取速度和外存储器的读写速度要求较高;对于用作网络传输的计算机,则要求有很高的I/O速度,因此应当有高速的I/O总线和相应的I/O接口。
2.5.1 运算速度
计算机的运算速度是指计算机每秒钟执行的指令数。单位为每秒百万条指令(简称 MIPS)或者每秒百万条浮点指令(简称 MFPOPS)。它们都是用基准程序来测试的。影响运算速度的有如下几个主要因素:
> CPU的主频。指计算机的时钟频率。它在很大程度上决定了计算机的运算速度。例如,Intel公司的CPU主频最高己达3.20GHz以上,AMD公司的可达400MHz以上。
> 字长。CPU进行运算和数据处理的最基本、最有效的信息位长度。PC机的字长,已由8088的准16位(运算用16位,I/O用8位)发展到现在的32位、64位。
> 指令系统的合理性。每种机器都设计了一套指令,一般均有数十条到上百条,例如:加、浮点加、逻辑与、跳转……等等,组成了指令系统。
2.5.2 存储器的指标
> 存取速度。
内存储器完成一次读(取)或写(存)操作所需的时间称为存储器的存取时间或者访问时间。而连续两次读(或写)所需的最短时间称为存储周期。对于半导体存储器来说,存取周期约为几十到几百ns(10-9秒)。
> 存储容量。
存储容量一般用字节(Byte)数来度量。PC机的内存储器已由286机配置的1MB,发展到现在2G,甚至2G以上。内存容量的加大,对于运行大型软件十分必要,否则会感到慢得无法忍受。
> I/O的速度
主机I/O的速度,取决于I/O总线的设计。这对于慢速设备(例如键盘、打印机)关系不大,但对于高速设备则效果十分明显。例如对于当前的硬盘,它的外部传输率已可达20MB/S、4OMB/S以上。
3 结束语
我们相信,新型计算机与相关技术的研发与应用,是二十一世纪科技领域的重大创新,必将推进全球经济社会高速发展,实现人类历史上的重大突破。科学在发展,人类在进步,历史上的新生事物都要经历一个从无到有的艰难历程,随着一代又一代科学家们的不断努力,未来的计算机一定会是更加方便人们工作、生活、学习的好伴侣。
作者简介:
梁炜,男,助理工程师研究方向:计算机及外部设备的抗恶劣环境设计。